電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)用絕緣阻燃耐火電纜的研制

李孟華 范鈺瑋 冉龍姣

摘要：研制了一種新型充電用柔性絕緣阻燃耐火電纜。該電纜在現(xiàn)有防火柔性電纜的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，其耐火防火層由傳統(tǒng)的只包覆六層云母帶優(yōu)化成由兩層纏繞方向不同的橫向云母帶、一層縱向包覆云母帶、參加了硫化劑的陶瓷硅橡膠組成。在電纜加工過(guò)程中引進(jìn)硫化工藝，將陶瓷化硅橡膠與硫化劑通過(guò)連續(xù)硫化過(guò)程實(shí)現(xiàn)交聯(lián)，硫化后的陶瓷化硅橡膠在常溫下具備普通硅橡膠的彈性和柔軟性，在高溫火焰的燒蝕后形成堅(jiān)硬的殼體， 保護(hù)被燒的物體不受損壞，提高柔性防火電纜的耐火功能。

關(guān)鍵詞：電纜;耐火材料;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;硫化工藝

0? 引言

引起全球變暖的最大原因就是人類(lèi)大量使用化石能源，而近幾年城市汽車(chē)數(shù)量不斷地增多更加加劇了溫室氣體的排放，很多國(guó)家著力研制環(huán)保的新能源汽車(chē)。目前卓有成效的就是新能源電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)和生產(chǎn)，尤其我國(guó)給與購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)優(yōu)惠免稅政策，促使電動(dòng)汽車(chē)漸漸進(jìn)入市場(chǎng)并被大眾使用。相比傳統(tǒng)汽車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)受到充電時(shí)間及安全性的制約，因此充電電纜的開(kāi)發(fā)研制在某種程度上極大的影響了電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行效率。由于充電電纜一般都是被安置在停車(chē)場(chǎng)、公路服務(wù)區(qū)等容易被日曬風(fēng)化或者油污腐蝕的戶(hù)外場(chǎng)合，而且還要經(jīng)常承受拖地拉扯，所以該種電纜必須具備良好的柔韌性和耐磨損抗腐蝕能力。另外考慮到充電安全性和防火性，它還必須能夠耐熱阻燃，具有良好的絕緣性能?；谝陨险撌?，本文引進(jìn)硫化工藝，對(duì)現(xiàn)有的電纜結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制出了一種新型的充電用絕緣阻燃耐火電纜。

1? 絕緣阻燃耐火電纜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

柔性防火型耐火電纜的結(jié)構(gòu)在行業(yè)中并沒(méi)有一個(gè)固定的單元?jiǎng)澐?，不同廠家生產(chǎn)的電纜結(jié)構(gòu)差別也比較大。大多廠家生產(chǎn)的電纜結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外依次為外護(hù)套、礦物隔氧層、絕緣隔離層、塑料絕緣層、云母帶和絞合銅導(dǎo)體，如圖1所示。

此種類(lèi)型電纜的耐火層是利用云母帶在常溫及高溫條件下均具有一定的電氣絕緣性能來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，常見(jiàn)結(jié)構(gòu)多為云母帶直接繞包在導(dǎo)體上，然后擠包有機(jī)聚合物形成絕緣線芯，成纜后擠包有機(jī)聚合物護(hù)套[2]，典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了提高電動(dòng)汽車(chē)充電電纜的各項(xiàng)機(jī)械性能及耐火功能，首先我們仔細(xì)研究了傳統(tǒng)電纜的結(jié)構(gòu)特征，然后在其原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)各主體層進(jìn)行細(xì)分，將耐火防火層由傳統(tǒng)的只包覆六層云母帶優(yōu)化成由兩層纏繞方向不同的橫向云母帶、一層縱向包覆云母帶及參加了硫化劑的陶瓷硅橡膠絕緣層組成，極大的提高了充電電纜抗擊高溫?zé)g的性能，具體單元結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

2? 充電電纜各層材料的選擇

設(shè)計(jì)電纜的性能還與電纜材料選擇是否合理有關(guān)，本文項(xiàng)目柔性防火型耐火電纜結(jié)構(gòu)主要包含了以下四層，各層的詳細(xì)用材及功能如下：

①導(dǎo)體：光亮的電解銅桿拉制的單線。

②絕緣層：云母帶、陶瓷化防火耐火復(fù)合帶。

耐火云母帶：云母帶按照GB/T 5019.10-2009《以云母帶為基的絕緣材料第10部分：耐火安全電纜用云母帶》可以分為合成云母、金云母和白云母等幾類(lèi)。本設(shè)計(jì)采用四川雷得云母有限公司生產(chǎn)的白云母帶，其性能如表1所示。

陶瓷化防火耐火復(fù)合帶：本設(shè)計(jì)采用上?？铺匦虏牧瞎煞萦邢薰旧a(chǎn)的KT-TC2055產(chǎn)品，尺寸0.2mm×50mm，密度1.40～1.45g/cm3，抗拉強(qiáng)度≥3.5MPa，撕裂強(qiáng)度≥20kN/m，體積電阻率≥1013Ω·cm，擊穿強(qiáng)度≥25kV/mm，產(chǎn)品毒性分級(jí)為ZA1。

③礦物質(zhì)填充層。

在發(fā)生燃燒時(shí)，電纜的礦物填充層能夠保護(hù)內(nèi)層結(jié)構(gòu)塑料絕緣層免受火焰侵蝕，起到隔絕熱量、火焰以及防止絕緣層熔化的作用[2]，采用陶瓷化防火耐火硅橡膠與硫化劑按一定比例混合的均勻混合物。陶瓷化防火耐火硅橡膠采用陶瓷膠KT-TC8710，其物理機(jī)械性能如表2所示。

硫化劑采用南京鑫聯(lián)化工有限公司生產(chǎn)DC-1，用作擠出硅橡膠的硫化劑，制品的強(qiáng)度高，透明性好，不會(huì)產(chǎn)生氣孔，其硫化溫度≥90℃，q1.2～1.8%左右（視不同膠種及制品要求而異）。

④補(bǔ)強(qiáng)包帶層。

包帶層采用FLSL33*7型石英/高硅氧玻璃纖維紗（1000）編織，編織單向覆蓋率不小于45%[3]。

⑤護(hù)套層。

采用高阻燃的低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴材料，此材料是以聚烯烴為基材，加入無(wú)鹵無(wú)毒阻燃劑、防老劑、潤(rùn)滑劑等經(jīng)混合、塑化、造粒而成，在電纜正常運(yùn)行時(shí)能夠保護(hù)電纜，不受外界機(jī)械力損傷[4]。低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴材料在電纜著火時(shí)能夠很快發(fā)生膨脹反應(yīng)，形成致密的多孔碳層，其中的阻燃物質(zhì)能夠吸收燃燒物質(zhì)表面的熱量進(jìn)行化學(xué)分解，進(jìn)而降低燃燒的進(jìn)程;并且分解反應(yīng)會(huì)生成氧化鎂和水，其中氧化鎂能夠附著在燃燒物質(zhì)表面，水則能夠稀釋當(dāng)中的氧氣，兩者共同作用又更進(jìn)一步的阻止了燃燒的速度。該類(lèi)材料不含鹵素，符合歐盟ROHS指令和REACH法規(guī)的相關(guān)要求，適用于電力電纜、通訊光纜、控制電纜等。

3? 電纜關(guān)鍵工藝步驟及各工藝參數(shù)

3.1 拉拔線工藝

導(dǎo)體選用光亮的電解銅桿拉制的單線，導(dǎo)體表面光潔、無(wú)油污、毛刺和銳邊，無(wú)凸起或斷裂的單線，填充系數(shù)大于等于0.9。本項(xiàng)目將拉拔工藝與退火工藝集成在同一臺(tái)設(shè)備，拉拔過(guò)程中銅絲穿過(guò)一加熱筒，從加熱筒里面出來(lái)再在淬火池里面淬火，采用連拉連退的方式，提升了生產(chǎn)效率。拉拔后銅線由原始直徑3mm縮小為2.74mm，壓縮率δ為8.67%。為了保證單線銅導(dǎo)體的質(zhì)量，我們嚴(yán)格把控拉拔工藝流程，20℃條件下，銅導(dǎo)體的單絲體積電阻率實(shí)際測(cè)量值均在0.017Ω·mm2/m以下。導(dǎo)體外徑及直流電阻符合GB/T3956標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 云母帶繞包工藝

本項(xiàng)目的繞包工藝是采用兩層云母帶進(jìn)行重疊繞包，且兩層云母帶是反方向進(jìn)行繞包，繞包的角度選擇45°，重疊率設(shè)定為帶寬的（50±5）%，云母帶是雙面合成的，其厚度尺寸為0.17mm;雖然絕緣層云母帶的繞包有兩層，但是我們通過(guò)改進(jìn)工藝，使兩層反方向的繞包在管絞機(jī)上同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到一次性完工。

3.3 硫化工藝

陶瓷化硅橡膠帶因其良好的性能常被應(yīng)用于電線電纜上的耐火繞包材料，硫化工藝能使橡膠大分子與交聯(lián)劑硫磺發(fā)生反應(yīng)，交聯(lián)成為立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其更能滿(mǎn)足電纜的各種使用要求。所以在本次設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，我們?cè)谌嵝苑阑痣娎|的制備中引進(jìn)了連續(xù)硫化生產(chǎn)工藝。

采用每25kg陶瓷化硅橡膠與250g硫化劑在開(kāi)煉機(jī)里面充分混合，晾干后切成長(zhǎng)條形狀待用。第三層云母帶縱包電纜由工人在機(jī)頭的位置送入硫化管道，包覆住電纜。陶瓷化硅橡膠與硫化劑混合物包覆電纜厚度通過(guò)調(diào)整機(jī)頭里面的模具進(jìn)行控制，其包覆厚度根據(jù)電纜使用場(chǎng)合和客戶(hù)要求而選定，通常有0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm、2.4mm等包覆厚度。硫化前工藝準(zhǔn)備如圖4所示。

陶瓷化硅橡膠的硫化是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程，硫化后的陶瓷化硅橡膠由原先的塑性變成了高彈性高硬度的交聯(lián)陶瓷化硅橡膠，其物理性能和化學(xué)性能都得到了大幅度的提升。電纜在火災(zāi)中發(fā)生燃燒時(shí)，陶瓷化硅橡膠會(huì)隨著火焰溫度的升高而瓷化結(jié)殼，且溫度越高，燃燒時(shí)間越長(zhǎng)，結(jié)殼速度越快，殼體硬度越強(qiáng)。強(qiáng)硬完整的瓷化殼體能夠保護(hù)其內(nèi)部線路免于火焰的燒蝕，進(jìn)而確保了線路的暢通。

3.4 成纜工藝

本文設(shè)計(jì)的充電電纜的成纜是在具有自動(dòng)退扭功能的搖籃式成纜機(jī)上進(jìn)行的，成纜節(jié)距比控制在33以下，另外為了后續(xù)電纜安裝敷設(shè)的方便，成纜方向統(tǒng)一為右向。

成纜材料必須與絕緣層具有相同的耐熱等級(jí)，不易吸潮，且不會(huì)引起絕緣層材料的化學(xué)性能改變。所以，本文設(shè)計(jì)的充電電纜成纜時(shí)采用耐高溫、抗腐蝕能力好的玻璃纖維繩進(jìn)行填充，線芯外的繞包帶采用聚氯乙烯塑料帶進(jìn)行隔離扎緊。電纜的耐火防護(hù)層由帶兩層纏繞方向不同的橫向云母帶、一層縱向包覆云母帶及陶瓷化防火耐火復(fù)合帶組成，三者繞包的重疊率均為50%，繞包必須緊實(shí)平整、無(wú)折迭、打綹、起兜的現(xiàn)象。

3.5 護(hù)套擠塑工藝

護(hù)套材料采用的是熱塑性低煙無(wú)鹵阻燃護(hù)套料，外護(hù)套厚度參考GB/T9331-2008，其最薄處的標(biāo)稱(chēng)厚度不得小于85%-0.1mm。護(hù)套材料應(yīng)緊密的擠包在隔離層上，擠塑后的表面應(yīng)無(wú)疙瘩、氣孔、坑眼、劃痕及機(jī)械損傷，并且平整光潔。其橫截面厚度要均勻、節(jié)距紋對(duì)稱(chēng)，無(wú)氣孔。另外在擠塑的過(guò)程中要嚴(yán)防進(jìn)水。

4? 電纜耐火試驗(yàn)檢測(cè)

目前對(duì)電纜耐火性能的檢驗(yàn)均是以耐火試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，規(guī)范的耐火試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)保證了耐火電纜的使用安全性。本項(xiàng)目采用英標(biāo)BS8491-2008耐火條件的標(biāo)準(zhǔn)做耐火試驗(yàn)，考慮到電動(dòng)汽車(chē)充電電纜惡劣的使用條件（油污、酸堿及水）以及其在著火時(shí)要承受的狀態(tài)（拉扯撞擊、噴淋等），耐火試驗(yàn)包括單因子耐火試驗(yàn)、耐火-噴水、耐火-振動(dòng)條件下的試驗(yàn)。

4.1 單因子耐火試驗(yàn)

其試驗(yàn)條件為：為了驗(yàn)證該新型充電電纜能否在規(guī)定的燃燒條件下進(jìn)行正常工作，我們首先水平固定充電電纜，然后在距其75mm的正下方用管狀噴燈進(jìn)行高溫?zé)g，與此同時(shí)施加工作電壓于線芯間，燃燒條件為950℃/180min。

試驗(yàn)結(jié)果：燃燒前后對(duì)比如圖5所示，試樣未擊穿，線路保持完整。

試樣解剖分析：低煙無(wú)鹵高阻燃聚烯烴護(hù)套在經(jīng)過(guò)高溫?zé)g后存在明顯的膨脹結(jié)殼，部分護(hù)套層燒蝕后出現(xiàn)開(kāi)裂脫落，但在某一時(shí)間內(nèi)它還是延緩了熱量的傳遞;由硫化陶瓷化硅橡膠和云母帶組成的耐火防護(hù)層瓷化結(jié)殼的現(xiàn)象非常明顯，并且沒(méi)有開(kāi)裂和脫落，結(jié)殼表面敲擊呈現(xiàn)很強(qiáng)的硬度，瓷化后的斷面是致密的微孔狀結(jié)構(gòu)，有效的隔離了火焰的高溫，電纜最里面包裹的云母層完整。

4.2 耐火-噴水試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：650℃溫度下直接供火15min后，噴水和繼續(xù)受火15min，總計(jì)時(shí)間30min，試驗(yàn)結(jié)果：如圖6所示耐火噴水試驗(yàn)，線路保持完整。

試樣解剖分析如下：低煙無(wú)鹵高阻燃聚烯烴護(hù)套在經(jīng)過(guò)高溫?zé)g后存在明顯的膨脹結(jié)殼，部分護(hù)套層在接下來(lái)的噴水試驗(yàn)后存在輕微脫落;絕緣、耐火、礦物填充層僅受火面瓷化，其余部位仍保持良好的物理和化學(xué)性能，瓷化后的表面沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂，表面剝開(kāi)后的內(nèi)里也沒(méi)有肉眼可見(jiàn)的水分，電纜的纜芯內(nèi)部仍然保持著干燥。

4.3 耐火-振動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：950℃的高溫下直接供火，受火的過(guò)程中，每間隔15min給其施加機(jī)械振動(dòng)一次，總計(jì)時(shí)間90min。

試驗(yàn)結(jié)果：如圖7耐火振動(dòng)試驗(yàn)所示，試樣未擊穿，線路保持完整。

試樣解剖分析：低煙無(wú)鹵高阻燃聚烯烴護(hù)套在經(jīng)過(guò)高溫?zé)g后存在明顯的膨脹結(jié)殼，部分護(hù)套層在受到外力沖擊后存在輕微脫落;而耐火絕緣的礦物填充層僅在受火面呈現(xiàn)了瓷化結(jié)殼，其余部位仍保持著良好的橡膠特性。

5? 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目所研制的電動(dòng)汽車(chē)充電電纜是在傳統(tǒng)充電電纜的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種新型耐火絕緣電纜，對(duì)其防火云母帶層繞包做了改進(jìn)，而且還采用了無(wú)鹵阻燃等先進(jìn)的技術(shù)，不僅提升了電纜防火耐火的性能，還減少了火災(zāi)產(chǎn)生的有毒有害煙霧對(duì)人身體健康的影響。另外他具有很好的柔韌性和耐磨損抗腐蝕能力，絕緣層也不容易受潮，能夠很好的適應(yīng)各類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)的充電環(huán)境，這將能夠有效的解決電動(dòng)汽車(chē)充電的很多問(wèn)題，直接提升電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，使大眾更能接受電動(dòng)汽車(chē)替代傳統(tǒng)石化能源汽車(chē)，進(jìn)而減緩溫室效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐勇，馮軍，張秉浩，等.BBTRZ型耐火電纜的耐火性能研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2018，37（03）：310-313.

[2]蔡西川.淺析國(guó)內(nèi)耐火電纜的應(yīng)用現(xiàn)狀及問(wèn)題[J].電線電纜，2016（1）：10-12，17.

[3]謝靜，陳乾坤.柔性環(huán)保防火電纜的研制[J].衡陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，37（3）：8-10.

[4]邵海彬，張其土，魏方明，等.耐火電纜耐火絕緣層材料的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2012，25（5）：36-39，44.

[5]王文淵，趙錢(qián)育，宮傳播.新能源電動(dòng)汽車(chē)充電電纜的研制[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2016（12）：70-71.